Выпрямительные диоды

Выпрямительным диодом называют такой диод, ко­торый предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение в сильноточных цепях, например, в таких устройствах, как источники питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, чтобы через кристаллы полупроводников компонентов можно было пропускать большие токи, их изготовляют из германия или кремния. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германи­евые по диапазону рабочих температур, максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.

Если выпрямленный ток больше максимально до­пустимого прямого тока диода, в этом случае требуется параллельное включение диодов (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Параллельное включение диодов

Добавочные сопротивления R_д величиной от единиц до десятков ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей. Диоды даже в пределах одной партии немного различаются величиной прямого напряжения. Без выравнивающих диодов каждый из соединенных параллельно диодов сгорит: сначала сгорит диод с мини­мальным прямым напряжением, а последним — облада­ющий максимально прямым напряжением.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, в этом случае до­пускается последовательное включение диодов (рис.6.9).

Рис. 6.9. Последовательное включение диодов

Резисторы, обладающие сопротивлением порядка не­скольких сотен килоом, включают параллельно диодам, с целью выравнивания падений напряжений на каждом из диодов. Таким образом, к каждому из последовательно включенных диодов будет приложено меньшее напряже­ние, чем максимально допустимое.

Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения на фиксированном уровне. Стабилизация - поддержание какого-то уровня или параметра неизмен­ным. Стабилитроны выполняют на кремниевых пласти­нах n типа, так как кремний обладает большей стабильностью при изменении температуры, кроме того, кремниевый стабилитрон обладает малым обратным током. Стаби­литроны заключают в герметизированные корпуса из металла, стекла, пластика или выполняют в бескор­пусном исполнении для использования в микромини­атюрных изделиях. Технология изготовления обычно диффузионно-сплавная или сплавная. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряже­ние практически не зависит от величины протекающего тока (рис. 6.10).

Рис. 6.10. ВАХ стабилитрон

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счет легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой. В качестве легирующей добавки акцепторной примеси обычно вы­ступает алюминий. В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение.

Стабилитроны функционируют при одном из видов пробоя - зенеровском, лавинном или смешанном. Вид пробоя зависит от удельного сопро­тивления базы. Зенеровский, или туннельный, пробой возникает при высокой напряженности поля в стаби­литронах с малым сопротивлением базы, а лавинный - при очень высокой напряженности поля, вследствие чего образуются новые носители заряда, при высоком сопротивлении базы. Зенеровский пробой возникает при напряжении на стабилитроне порядка единиц вольт, а лавинный — при напряжении порядка нескольких десятков вольт. Так как участок электрического пробоя на вольтамперной характеристике соответствует области обратного напряжения, стабилитрон включается обратным вклю­чением (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Схема включения стабилитрона

Резистор R_о задает ток через стабилитрон, т. е. такой ток, при котором выходное напряжение будет наиболее ста­бильным. Если номинальное значение тока стабилизации не оговорено в справочнике отдельно, его принимают равным среднему значению между минимальным I_ст.min и максимальным I_ст.max токами стабилизации.

Принцип действия параметрического стабилизатора. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на сопротивлении R_о уменьшаются, а напряжения на стабилитроне и нагрузке останутся постоянными, исходя из особенности вольтамперной ха­рактеристики стабилитрона. При увеличении входного на­пряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на R_о увеличиваются, а напряжение на нагрузке все равно остается постоян­ным и равно напряжению стабилизации. Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от минимального значения I_ст.min до максимальной величины I_ст.max.

Основные параметры стабилитронов:

номинальное напряжение стабилизации U_ст. У вы­пускаемых промышленностью стабилитронов всегда имеется разброс напряжения стабилизации, поэтому в справочниках указывают кроме номинального напряжения стабилизации еще и минимальное и максимальное или изменение напряжения стабили­зации (ΔU_ст);

минимальное, максимальное и номинальное зна­чение тока стабилизации (I_ст.min, I_ст.max, I_ст.ном) (рис. 6.12). Эксплуатировать стабилитроны при токе стабилизации меньше номинального не следует, так как в области пробоя будет велико дифференциаль­ное сопротивление;

Рис. 6.12. Токи стабилизации стабилитрона

максимальная рассеиваемая мощность, которую способен отдать в окружающее пространство ста­билитрон в долговременном режиме включения без разрушения кристалла;

дифференциальное сопротивление на участке стаби­лизации, характеризующее стабильность напряже­ния, прикладываемого к нагрузке, при изменении тока, протекающего через стабилитрон, можно найти по формуле

R_ст = ΔU_ст/ΔI_ст = ΔU_ст/( I_ст.max - I_ст.min),

где ΔU_ст - изменение напряжения на стабилитроне;

ΔI_ст - изменение тока через стабилитрон;

I_ст.max - максимальный, не разрушающий крис­талл ток через стабилитрон;

I_ст.min - минимальный ток через ста­билитрон, при котором возможна стабилизация;

температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации (рис. 6.13) - величина, отражающая изменение напряжения стабилизации при изменении температуры кристалла стабилитрона на 1 °С.

Рис. 6.13. Изменение U_ст стабилитрона под воздействием температуры

ТКН стабилитрона можно найти по формуле

α_ст = (ΔU_ст/ U_стΔt) (100%)

где ΔU_ст - изменение напряжения на стабилитроне; Δt - изменение температуры

p-n перехода прибора от максимума до минимума. Размерность ТКН стабилитрона приводят в процентах на градус Цельсия. У стабилитронов с зенеровским пробоем ТКН стаби­лизации отрицателен ввиду зависимости напряжения стабилизации от ширины запрещенной зоны, т. е. при понижении температуры напряжение стабилизации увеличивается. У стабилитронов с лавинным пробоем ТКН положителен, так как на напряжение стабилизации влияет подвижность носителей зарядов. Таким образом, при понижении температуры напряжение пробоя умень­шается. Для того чтобы скомпенсировать изменение на­пряжения стабилизации при флюктуации температуры применяют последовательное соединение стабилитрона с лавинным пробоем и диода с отрицательным ТКН.

Стабилитроны используют не только в стабилизаторах напряжения, но и как компоненты защиты от напряже­ния недопустимо большой амплитуды, в преобразова­тельных и генераторных устройствах для формирования импульсов, триггерах, фиксаторах уровня напряжения.